撰文 格雷厄姆·P·柯林斯（Graham P. Collins）
翻译 王家慧 卞建国
大型强子对撞机即将竣工，这个地下圆环修建在日内瓦近郊的乡村。你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。十多年来，粒子物理学家一直热切期盼着这样一个机会，去探索所谓“万亿能标”下的物理世界，因为其中的物理过程涉及的能量高达1万亿电子伏特。科学家预期，一些意义重大的全新物理现象，将在万亿能标中显现出来，比如难以捉摸的希格斯粒子（Higgs particle，科学家相信这种粒子给其他粒子赋予了质量）和暗物质粒子（这种粒子构成了暗物质，是宇宙中物质的主要组成成分）。
经过9年的建造，这台庞大的机器预计将在今年产生粒子束流。按照计划，LHC将接受一系列调试：从一个束流到两个束流，再到对撞的束流；从较低能标增加到万亿能标；从强度较弱的测试束流到适合快速采集数据、但更难控制的较强束流。调试过程的每一步都很艰难，需要5,000多名科学家、工程师和研究生通力合作才能攻克难关。为了探索这一高能前沿领域，物理学家们做了许多准备工作。2007年秋天，为了得到第一手资料，我走访了LHC项目组。虽然工程进度一再延误，但与我交谈的每一个人都对成功充满信心。粒子物理学界正热切等待着LHC的第一批成果。美国麻省理工学院的弗兰克·维尔策克（Frank Wilzek）谈到LHC的前景时，重复了物理学界的共识——LHC将开启“物理学的黄金时代”。
每次对撞都会喷出大量粒子，绝大多数是已知粒子，但偶尔也会出现一些新奇的粒子。
超级机器
只要它开始运行，就将产生出能量比以前高得多的质子束流。它的大约7,000 块磁铁被液氦冷却到2K以下，维持在超导状态运行，引导并聚焦着两个质子束流。质子束流的速度可达光速的99.9999991%。每个质子携带的能量将达到7万亿电子伏特，相当于质子静止质量所含能量的7,000倍（参照爱因斯坦质能公式E = mc2）。目前的最高能量记录保持者，是美国费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，位于伊利诺伊州巴达维亚市）的万亿电子伏特正负质子对撞机（Tevatron），而LHC产生的质子能量将是该记录的7倍。而且，根据设计参数，LHC产生的束流强度（也称亮度），将是万亿电子伏特正负质子对撞机束流的40倍。当LHC以最高能量状态满负荷运转时，在巨型圆环中绕行的所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲出2,000升咖啡。
这些质子会分布在大约3,000个束团之中，沿着周长27千米的对撞机圆环运转。每个束团由多达1,000亿个质子组成，但在对撞点上，束团的尺寸只有银针大小：长不过几厘米，粗细仅有16微米（大约相当于最细的头发丝）。在圆环的四个对撞点上，这些银针一根接一根通过，每秒钟发生6亿多次粒子对撞。物理学家把对撞称为事例（event），这些对撞其实并不是质子与质子相撞，而是构成质子的更小粒子——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。最激烈的对撞将释放出大约2万亿电子伏特的能量，相当于相撞质子所携带能量的1/7。（由于相同的原因，尽管万亿电子伏特正负质子对撞机中运行的质子和反质子的能量可以达到1万亿电子伏特，但它们的能量还要再提高5倍，才能跨进万亿能标的门槛。）
四个巨型探测器建造在圆环的四个对撞点周围，最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。这些探测器将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。尽管这些探测器尺寸巨大，安装精度却要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。
LHC加速器将由CERN的一个小组负责控制，他们的工作地点就设在照片所示的右下角。LHC上的每个探测器，都拥有它们自己的控制室。
在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘——只需要6个月的时间，这些光盘就可以从地球堆到月球。因此，这些实验不会去记录所有的数据，而是设计了所谓的触发系统（trigger）和数据获取系统（data-acquisition）。这些系统就像垃圾邮件过滤器一样，每秒只筛选出100个看起来最有价值的事例，将它们的数据传送到CERN的LHC中央计算系统，以备存档和事后分析之用。
欧洲原子能研究中心是LHC的所在地。在那里，上千台计算机组成的计算集群，把过滤后的原始数据转化为更加紧凑的格式，供物理学家筛选研究。物理学家将通过一种所谓的“网格网络”（grid network）分析这些数据。这种网络由世界各地研究机构的数万台PC机组成，它们先连接到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到CERN。
